水下混凝土浇筑系统及施工方法与流程

本发明涉及水下混凝土浇筑领域，尤其涉及一种水下混凝土浇筑系统及施工方法。

背景技术：

1、钻孔灌注桩、地连墙等因其具有施工工艺简单、性价比高等优点是结构承载、支护、防渗等系统中最常用的结构形式。其施工工艺为现场成孔、成槽，下放钢筋笼，最后浇筑混凝土，属于地下工程现浇构件。由于地层中存在地下水，且槽孔大部分采用泥浆护壁，通常采用导管法进行水下混凝土灌注。灌注过程中，导管埋深是控制成桩/墙质量的关键影响，导管埋深过少，容易出现桩身夹泥缺陷，甚至出现断桩事故；若埋深过大，则不宜下料，致使混凝土匀质性差，严重的会出现堵管、埋管等事故。但是由于导管处于泥浆环境，声、光等物理手段难以探测导管埋深或混凝土液面标高，导致至今水下混凝土浇筑可视化程度仍然很低。

2、目前，施工现场仍采用传统的人工测锤法，通过测绳松弛度和下放的手感来判断混凝土界面，由于测锤无法穿越浮浆层，达到混凝土层，故无法准确判断混凝土面的实际位置，且依赖工人的经验干扰太大，精度极不准确。对此，国内外高校开展相关研究，比如，压力式测深仪法、电导式测深仪法等，但由于价格偏高、或精度不足、或安装操作复杂等原因，仅停留在试验室阶段。因而亟待研发一种精准、快捷、简单的方法来确定导管埋深或混凝土液面标高。

技术实现思路

1、为解决以上问题，本发明提供一种水下混凝土浇筑系统及施工方法，可以实现水下混凝土浇筑过程中，导管埋深、混凝土液面标高实时监测及可视化展示。

2、本发明采用的技术方案是：一种水下混凝土浇筑系统，其特征在于：包括光纤光栅解调设备、收放线卷扬设备、传输光纤、导管和光纤光栅压力-温度传感器，所述光纤光栅解调设备和收放线卷扬设置在地面上，所述传输光纤、导管和光纤光栅压力-温度传感器设置在井下；所述光纤光栅压力-温度传感器通过传感器基座呈阵列式分布固定在导管末端，所述光纤光栅压力-温度传感器之间熔接串联，所述光纤光栅压力-温度传感器通过传输光纤与光纤光栅解调设备连接，所述传输光纤通过固定卡扣固定在导管侧壁上；所述导管上端与收放线卷扬设备连接。

3、作为优选，相邻所述光纤光栅压力-温度传感器之间的间距为50cm。

4、作为优选，所述光纤光栅压力-温度传感器通过基座固定在导管上。

5、作为优选，所述基座上设有传感器固定槽和出现槽，所述传感器固定槽内设有光纤光栅压力-温度传感器，所述传输光纤放置于出线槽中。

6、一种水下混凝土浇筑系统的施工方法，包括以下步骤：

7、s1、先将带有光纤光栅压力-温度传感放置在传感器固定槽，传输光纤放置于出线槽中；光纤光栅压力-温度传感器竖向阵列式分布于导管末端；

8、s2、下放固定有光纤光栅压力-温度传感器的末节导管；

9、s3、下放及连接其余各节导管，下放过程中收放线卷扬设备开始放出光纤，然后将光纤通过固定卡扣固定在中间导管侧壁；

10、s4、导管下放及清孔完成后，开始水下混凝土浇筑；

11、s5、浇筑过程中通过阵列式光纤光栅压力-温度传感器监测沿末节导管深度范围内压力和温度分布情况，根据压力及温度变化量判断混凝土与泥浆分界面位置，确定导管埋深h，绘制水下混凝土浇筑实时三维图；

12、s6、随着混凝土浇筑液面上升，检测设备判断导管埋深h是否在2～6m范围内，若h≤2m，继续进行混凝土浇筑，若h≥6m，提示需要进行导管拆卸，从井口拆除导管，收放线卷扬设备收线；

13、s7、直至混凝土液面距目标灌注液面10m范围内时，开始判断混凝土、浮浆及泥浆分界面位置，确定浮浆层厚度d，根据浮浆层厚度确定超灌深度d1。

14、作为优选，光纤光栅压力-温度传感器利用以下等式来计算侧压力：

15、pi＝ci(δλi1-δλi2)+bi

16、式中，pi是第i个传感器压力值，δλi1是承压光栅的布拉格波长变化量，δλi2是温度光栅的布拉格波长变化量，ci、bi是传感器标定系数。

17、作为优选，阵列式光纤光栅压力-温度传感器利用以下等式来计算各节段介质容重：

18、

19、式中，ρi是第i个区段的重度，pi是第i个传感器侧压力，pi-1是第i-1个传感器侧压力，h为相邻两个传感器之间的间距。

20、作为优选，通过以下方法判断混凝土界面位置：

21、pn为第n个传感器侧压力，在浇筑过程中，随着混凝土液面上升，被混凝土覆盖的传感器侧压力逐渐增加，没有被混凝土覆盖的传感器侧压力保持不变，可通过以下数学方法进行描述

22、

23、式中，t为时间，故可判断混凝土界面在第n个传感器和第n+1个传感器之间区间，则有导管埋深h计算公式为：

24、

25、作为优选，通过以下方法判断浮浆层厚度，当ρ泥浆＜ρi＜ρ混凝土，可判断第i个传感器在浮浆层，若有m个传感器在浮浆层，则认为浮浆层厚度为d＝m×h。

26、本发明取得的有益效果是：

27、1、实现桩基(地连墙)浇筑施工液面变化的自动监测，减少人工操作步骤；

28、2、实现混凝土浇筑过程可视化，辅助判断导管在混凝土中的埋深及浮浆厚度，便于施工质量管理。

技术特征：

1.一种水下混凝土浇筑系统，其特征在于：包括光纤光栅解调设备、收放线卷扬设备、传输光纤、导管和光纤光栅压力-温度传感器，所述光纤光栅解调设备和收放线卷扬设置在地面上，所述传输光纤、导管和光纤光栅压力-温度传感器设置在井下；所述光纤光栅压力-温度传感器通过传感器基座呈阵列式分布固定在导管末端，所述光纤光栅压力-温度传感器之间熔接串联，所述光纤光栅压力-温度传感器通过传输光纤与光纤光栅解调设备连接，所述传输光纤通过固定卡扣固定在导管侧壁上；所述导管上端与收放线卷扬设备连接。

2.根据权利要求1所述的水下混凝土浇筑系统，其特征在于：相邻所述光纤光栅压力-温度传感器之间的间距为50cm。

3.根据权利要求1所述的水下混凝土浇筑系统，其特征在于：所述光纤光栅压力-温度传感器通过基座固定在导管上。

4.根据权利要求1所述的水下混凝土浇筑系统，其特征在于：所述基座上设有传感器固定槽和出现槽，所述传感器固定槽内设有光纤光栅压力-温度传感器，所述传输光纤放置于出线槽中。

5.一种水下混凝土浇筑系统的施工方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的水下混凝土浇筑系统的施工方法，其特征在于：光纤光栅压力-温度传感器利用以下等式来计算侧压力：

7.根据权利要求5所述的水下混凝土浇筑系统的施工方法，其特征在于：阵列式光纤光栅压力-温度传感器利用以下等式来计算各节段介质容重：

8.根据权利要求5所述的水下混凝土浇筑系统的施工方法，其特征在于：通过以下方法判断混凝土界面位置：

9.根据权利要求7所述的水下混凝土浇筑系统的施工方法，其特征在于：通过以下方法判断浮浆层厚度，当ρ泥浆＜ρi＜ρ混凝土，可判断第i个传感器在浮浆层，若有m个传感器在浮浆层，则认为浮浆层厚度为d＝m×h。

技术总结本发明涉及一种水下混凝土浇筑系统及施工方法，该水下混凝土浇筑系统，包括光纤光栅解调设备、收放线卷扬设备、传输光纤、导管和光纤光栅压力‑温度传感器，光纤光栅压力‑温度传感器通过传感器基座呈阵列式分布固定在导管末端，光纤光栅压力‑温度传感器之间熔接串联，光纤光栅压力‑温度传感器通过传输光纤与光纤光栅解调设备连接，传输光纤通过固定卡扣固定在导管侧壁上；导管上端与收放线卷扬设备连接。本发明实现桩基(地连墙)浇筑施工液面变化的自动监测，减少人工操作步骤；实现混凝土浇筑过程可视化，辅助判断导管在混凝土中的埋深及浮浆厚度，便于施工质量管理。技术研发人员：姬付全,陈培帅,李嘉成,李雪松,杨睿,陈诚,邱敏,杜磊,曾德星,任梦,赵旭,吕双江,饶为胜,徐宗凌,蔡昌,杨钊受保护的技术使用者：中交第二航务工程局有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5